邓少虹，林明月，李伏生＊，苏以荣，刘坤平

（1.广西大学农学院，广西 南宁530005；2.中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室，湖南 长沙410125；3.中国科学院环江喀斯特农业生态试验站，广西 环江547100）

活性有机碳是占土壤有机碳比例较小而周转速率较快的部分，是有机碳的重要组成部分。这部分有机碳是土壤有机碳中对环境变化最敏感，可以指示土壤有机质的早期变化，但并不能为土壤所真正固定［1］。Lefroy等［2］将能够被0.333mol/L KMnO4氧化的有机碳称为活性有机碳，并首次提出碳库管理指数（CPMI）的概念，用以表征土壤管理措施引起土壤有机碳变化。CPMI因结合了土壤碳库指标和土壤碳库活度指标，既反映外界管理措施对土壤有机碳总量的影响，也反映了土壤有机碳组分的变化情况。土壤酶作为土壤组分中最活跃的有机成分之一，不仅可以表征土壤物质能量代谢旺盛程度，而且可以作为评价土壤肥力高低、生态环境质量优劣的一个重要生物指标［3］。目前有关不同农艺措施下水稻（Oryzasativa）、玉米（Zeamays）、小麦（Triticumaestivum）、大豆（Glycinemax）等作物产量、土壤酶活性及碳库管理指数变化方面的研究较多，但关于不同施肥条件对喀斯特地区牧草种植地土壤酶活性和活性有机碳的影响报道较少［4－9］。

喀斯特地区土壤土层浅薄，生态环境脆弱，土壤有机碳易受土地利用变化、耕作、施肥等活动的影响［10－11］。前人研究表明，不同植被类型之间光合产物的分配模式相差较大，草原植被光合作用所同化的有机产物中的92%以上分布在地下，而森林植被光合产物分配到地下部分的比例较低，在相同气候条件下，草地土壤有机碳约为森林土壤有机碳的2倍［12］。正是基于此，提出了在喀斯特峰丛洼地发展“替代性草食畜牧业”这一既可增加农民收入、又有利于土壤有机碳积累的模式。据调查，在桂西北喀斯特地区发展牧草种植过程中，农民多注重施用氮肥，轻磷钾肥，导致牧草生态系统难以维持土壤养分及有机碳平衡。为了解施肥对土壤有机碳积累及平衡的影响，本文以牧草种植地为研究对象，比较不同施肥条件下土壤活性有机碳含量、碳库管理指数和土壤酶活性的变化，以期为喀斯特地区牧草科学施肥及农田固碳减排提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2011年3－10月在广西环江县扶贫办养牛场进行。试验土壤为红色石灰土，其pH为4.65，有机质28.87g/kg，全氮1.15g/kg，全磷 0.29g/kg，全钾 5.45g/kg，碱解氮96.78mg/kg，有效磷（Olsen法）21.8 mg/kg，速效钾35.9mg/kg。

供试牧草品种为桂牧一号（Pennisetumpurpureumcv.Guimu No.1），属多年生禾本科牧草，它是由杂交狼尾草［美国狼尾草（Pennisetumamericanum）×象草（P.purpureum）］和矮象草（P.purpureum）进行杂交育成的高产优质的饲草。针对当地施肥状况，设计了7个处理，包括CK（不施肥）、N1（N：390kg/hm2）、N2（N：572 kg/hm2）、N1P（P2O5：240kg/hm2）、N2P、N1PK（K2O：360kg/hm2）和 N2PK，每个处理重复3次，共21个小区。小区面积为18m2（3m×6m），随机区组排列。供试肥料为硝酸铵钙（含N 26%）、钙镁磷肥（含P2O516%），氯化钾（含K2O 60%）。磷肥全部作基肥，氮肥40%作基肥，60%于第1次和第2次牧草刈割采样后分别追施30%，钾肥33%作基肥、67%于第1次和第2次牧草刈割后分别追施34%和33%。田间管理同一般大田生产。

1.2 土壤采样与分析

2011年3月施基肥，分别于2011年6月9日、7月28日和9月28日进行3次刈割，每个小区均收获全部牧草地上部。3次刈割后，采集0～20cm土层土样，每个小区采集5个样点，混匀，将采集的新鲜土样分成两份。一份风干磨碎过筛，测定总有机碳和活性有机碳含量。另一份立即处理或保存于4℃冰箱中，测定前除去土样中可见植物残体及土壤动物，过2mm孔径筛，混匀，调节土壤湿度至饱和持水量的40%左右，用于测定土壤酶活性。淀粉酶活性的测定采用3，5－二硝基水杨酸比色法，活性单位为：mg麦芽糖/（g·24h），用U1表示［13］。蔗糖酶活性的测定采用3，5－二硝基水杨酸比色法，活性单位为：mg葡萄糖/（g·24h），用U2表示［13］。脲酶活性的测定采用苯酚－次氯酸钠比色法，活性单位为：mg NH4＋－N/g，用 U3表示［14］。

土壤有机碳（SOC）用重铬酸钾容量法－外加热法测定。

活性有机碳（LOC）采用KMnO4（333mmol/L）氧化法测定［15］。为考虑施肥对土壤有机碳的影响，本试验将不施肥处理土壤作为参照土壤。碳库指数及碳库管理指数等相关指标参照徐明岗等［16］的方法计算，计算公式如下：

1.3 数据处理

采用Excel 2003和SPSS 16.0进行统计分析，采用Duncan法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 施肥对土壤活性有机碳及碳库管理指数的影响

表1结果表明，与不施肥（CK）相比，单施氮（N）肥可提高土壤有机碳（SOC）含量3.82%～6.77%，而N1和N2间SOC含量差异不显著。在施氮肥基础上，增施磷（P）肥反而降低SOC含量2.54%～4.20%；在施氮磷肥基础上，增施钾（K）肥提高SOC含量7.26%～18.10%，且N1PK和N2PK之间的差异显著。上述结果表明，并不是所有施肥处理均能提高SOC含量，而氮、磷、钾肥配合施用则显著提高SOC含量。

从表1可见，与CK相比，施肥处理显著提高土壤活性有机碳（LOC）含量，以N2PK处理提高最为明显，达到695.6%，而N1和N2处理间LOC含量差异不显著；在施氮肥基础上，增施磷肥明显增加土壤LOC含量，且N1P和N2P处理之间的差异显著；在施N2P肥基础上，增施钾肥明显增加土壤LOC含量，且N1PK和N2PK处理间LOC含量的差异显著。碳库指数（CPI）变化与SOC的基本一致，表现为N2PK＞N1PK＞N2＞N1＞CK＞N1P＞N2P。碳库活度（A）、碳库活度指数（AI）以及碳库管理指数（CPMI）的表现与LOC有着相似的规律，均表现为N2PK＞N1P＞N1PK＞N2P＞N2＞N1＞CK。N1、N2、N1P，N2P、N1PK和N2PK的CPMI较CK分别增加4.44，5.07，7.74，6.08，6.32和12.77倍。施肥显著提高 CPMI，在施 N2基础上，增施磷肥显著提高土壤 CPMI，且N1P和N2P处理间CPMI的差异显著；在施N1P基础上，增施钾肥提高CPMI，但差异不显著，而施N2P基础上，增施钾肥提高CPMI，且N1PK和N2PK处理之间的差异显著。可见，施肥能够提高土壤碳库管理指数，增加土壤活性有机碳含量，从而提高土壤肥力。

表1 不同施肥处理下土壤有机碳、活性有机碳及碳库管理指数Table 1 Soil organic carbon，labile organic carbon content and carbon pool management index under different fertilization treatments

2.2 施肥对土壤酶活性的影响

不同施肥处理对不同土壤酶活性的影响不一致。从图1可以看出，与CK相比，低N（N1）条件下土壤淀粉酶活性显著提高，其中N1、N1P和N1PK处理土壤淀粉酶活性分别提高8.65%，10.70%和13.80%；N2P土壤淀粉酶活性显著降低（17.94%），而N2和N2PK处理对土壤淀粉酶活性的影响不明显。

图1 不同施肥处理下土壤淀粉酶活性Fig.1 The activity of soil amylase under different fertilization treatments

从图2可以看出，与CK相比，各施肥处理降低土壤蔗糖酶活性2.55%～26.97%，除N2处理外，均达到显著水平。在施N2基础上，增施磷肥显著降低土壤蔗糖酶活性，且N1P和N2P之间差异显著；在施N2P基础上，增施K肥土壤蔗糖酶活性有所提高，但N1PK和N2PK之间的差异显著。

由图3可知，与CK相比，各施肥处理显著提高土壤脲酶活性（87.67%～169.03%），以 N2P处理提高幅度最大。单施氮肥显著提高脲酶活性，但N1和N2之间的差异不显著。在低氮（N1）基础上，增施磷肥显著降低土壤脲酶活性，在高氮（N2）基础上，增施磷肥显著提高土壤脲酶活性，且N1P和N2P之间的差异显著；在施氮磷肥基础上，增施钾肥土壤脲酶活性增加幅度不大，但N1PK和N2PK之间的差异显著。

图2 不同施肥处理下土壤蔗糖酶活性Fig.2 The activity of soil invertase under different fertilization treatments

图3 不同施肥处理下土壤脲酶活性Fig.3 The activity of soil urease under different fertilization treatments

2.3 土壤活性有机碳、碳库管理指数与土壤酶相关性

由表2可见，土壤活性有机碳和CPMI与土壤脲酶活性之间呈极显著或显著相关，土壤有机碳与LOC和CPMI之间呈显著相关，但是与各种酶活性间的相关性不明显。CPMI与蔗糖酶和脲酶活性之间呈显著相关。淀粉酶与蔗糖酶活性之间呈显著相关，此结果与Ross［17］的研究一致。

表2 土壤活性有机碳、碳库管理指数与酶活性相关性系数（n＝21）Table 2 Correlation coefficient among labile organic matter，carbon pool management index and enzyme activity of soils

3 讨论

土壤有机碳（SOC）主要分布于土壤1m土层深度以内，包括植物、动物及微生物遗体、排泄物、分泌物及其部分分解产物和土壤腐殖质，是进入土壤的植物残体量以及在土壤微生物作用下分解损失的平衡结果［18］。单施有机肥或者有机肥与化肥配施，都是直接向土壤中输入外源有机质，能够显著提高SOC含量。本研究中，与不施肥对照相比，氮磷钾配合施用显著提高土壤有机碳含量；因为氮磷钾肥配合施用有利于土壤速效钾的补充，促进作物生长，增加作物残茬返还和根系分泌物，即增加有机质的输入，从而提高土壤有机碳含量［19］；单施氮肥对土壤有机碳含量没有显著增加作用，胡诚等［20］的研究有类似结果；NP处理甚至还会导致土壤有机碳含量下降。这是因为土壤由石灰岩发育而来，土壤钾含量低，另外由于雨热同期，土壤养分易被淋溶损失，加重了土壤缺钾［21］，而钾是作物生长必需的大量元素之一，这就导致了不施钾肥处理牧草生长不佳，无法向土壤输入更多的有机碳。这表明施肥对SOC的影响比较复杂，是作物生长、土壤矿化条件、土壤性质等多种因素综合的效果。本研究表明，施肥能够提高土壤活性有机碳和碳库管理指数，且以N2PK处理提高幅度最大，达12.77倍，这与前人研究结果一致［22］。说明施肥在提高土壤活性有机碳和碳库管理指数上有着重要作用，其中以高氮配合磷钾效果最佳。

土壤淀粉酶来自植物根系和微生物，能够将土壤中的淀粉水解成两种还原糖，糊精和麦芽糖，加速有机残体的分解，是参与自然界碳循环的一种重要的酶。土壤淀粉酶广泛存在于土壤中，其活性大小表征有机碳代谢的快慢。施蓉等［23］的研究显示，单施氮磷肥和氮磷钾肥配施根际、非根际土壤淀粉酶活性提高。而本研究中，低氮肥处理显著提高淀粉酶活性，高氮肥处理对淀粉酶活性促进作用不明显。这可能是因为施入适量氮肥为牧草根系生长提供养分，根系分泌物增加，加快了微生物的繁殖，而根际微生物通过吸收土壤中的养分，从而有利于土壤淀粉酶活性的提高［24］；而加入较多的无机氮改变土壤碳氮比，抑制了土壤微生物的繁殖，不利于土壤淀粉酶活性的提高，并且磷肥也不利于土壤淀粉酶活性的提高，且高氮条件磷的抑制效果大于低氮条件。

蔗糖酶又称土壤转化酶，是有机质转化过程中重要的水解酶之一，其产物也是土壤微生物的重要能源，对增加土壤中易溶性营养物质起着重要作用［25］。蔗糖酶可使不能直接被植物吸收的蔗糖分解成葡萄糖和果糖，活性大小可以间接的表征土壤中有机碳的转化情况［26］。蔗糖酶主要来源于根系分泌物，当根系生物量尤其是细根生物量大幅增加时，会使根系分泌的蔗糖酶增加，土壤酶活性提高［27］。曾艳等［28］对桑园土壤酶活性的研究表明，施用氮肥有利于增加蔗糖酶活性，且其活性增幅随着施氮量的增加而增加。张逸飞等［29］研究了长期施肥处理对红壤性水稻土酶活性的影响，结果表明，配合施用氮、磷、钾肥能够增强土壤蔗糖酶活性。本研究NPK处理土壤蔗糖酶下降，而不施肥处理土壤蔗糖酶活性较高，这与上述研究结果不同，原因不清楚，有待进一步研究。

脲酶是专一性的尿素水解酶，能催化土壤中的尿素分解形成氨、水和二氧化碳，提高氮肥利用率并促进土壤氮素循环，其活性可表示土壤氮素供应状况［30］。裴海昆［31］对天然草地的研究表明，施氮肥后土壤脲酶活性受到抑制，并且在施氮肥37.5g/m2时，抑制性最强，较低浓度的氮、磷肥混施，促进脲酶活性，较高浓度的氮、磷肥混施，抑制脲酶活性。魏猛等［32］研究也表明，与不施肥相比，施用氮、磷肥抑制土壤脲酶活性，且高量氮、磷处理的抑制效应大于低量氮、磷处理。本研究结果与前人不同，施用氮肥显著提高脲酶活性，尤其是单施氮肥。在低氮基础上增施磷肥或者磷钾肥降低土壤脲酶活性，而在高氮基础上增施磷肥提高脲酶活性，但是增施磷钾肥则降低脲酶活性，这方面的原因不太清楚，有待进一步研究。

4 结论

氮磷钾肥配合施用能够提高牧草种植土壤有机碳含量，而氮磷肥配施会导致牧草种植土壤有机碳的损失。各施肥处理均可以提高土壤活性有机碳和碳库管理指数，以氮磷钾肥配施提高土壤活性有机碳的作用更为显著。

不同施肥条件下，不同土壤酶活性表现并不一致。施肥降低土壤蔗糖酶活性，单施氮肥和高氮磷肥配施提高土壤脲酶活性，而低氮磷肥配施降低脲酶活性。

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